焦炉煤气制氢控制系统的开发与应用.doc

焦炉煤气制氢控制系统的开发与应用 黄 虹 （济南济钢设计院，山东 济南 250101） 摘 要煤气制氢工艺复杂，为保证装置的长期、稳定、安全运行，开发了制氢自动控制系统，该系统的硬件采用西门子的S7-300控制系统，开发的软件除了具有7个基本功能以外，还具有自适应随动调节、故障塔切除与恢复控制等特殊功能，自动化程度高且具有操作方便、故障率低、维护量小、精度高等特点。 关键词焦炉煤气；控制系统；制氢工艺；控制功能 中图分类号TQ116.23 文献标识码A 文章编号1004-4620（2007）05-0057-02 Development and Application of Control System for Hydrogen Generation from COG HUANG Hong Jinan Jigang Design Institute, Jinan 250101, China Abstract Because of the complex rocess of hydrogen generation from COG, in order to ensure long-term, stable and safe run, the automatic control system for hydrogen generation from COG was developed. The control system hardware adopted SIEMENS S7-300 system. The developed software offered peculiar function such as adaptive servo accommodation, failure tower removal and restorative control etc besides 7 essential functions, and it had many characteristics such as high automation and precision, low failure rate and maintenance, easy operation. Key words coke oven gas; control system; hydrogen generation process; control function 1 前 言 在热镀锌正常生产过程中，需向还原退火炉内连续通入高纯度的氮气加氢气的保护气体，以保证钢带基体与锌层的结合力。保护气体中氢气占10～30，氢气质量的好坏直接影响镀锌板的质量。由于焦炉煤气组成成分复杂且产品氢纯度要求高，因此，制氢工艺十分复杂，必须配以高效完善的控制系统才能保证装置的长期、稳定、安全运行。 2 工艺流程简介 焦炉煤气制氢的工艺流程如图1所示。 图1 焦炉煤气制氢工艺流程 来自焦炉煤气总管的焦炉煤气首先经预处理工序除油、吸附脱油、脱硫、脱萘，再经压缩机压缩至1.7 MPa后进入后续PSA氢提纯系统。本装置变压吸附工序采用5-1-3 工艺。变压吸附工序来的粗氢气经净化干燥后，产品氢即可达到纯度要求。 3 控制系统 3.1 硬件构成 该控制系统硬件采用西门子的S7-300控制系统，为了保证系统的可靠性，CPU、电源和通讯模块均采用冗余配置，整个系统采用控制级（PLC）监控级（HMI）计算机系统。监控级由2台工业控制计算机组成，通过工业以太网实现2台工业控制机联网，同时配置了PLC与HMI机的通信接口卡CP443-1，采用TCP-IP标准协议实现监控级与控制级之间的通信，接收和采集有关信息，实现对车间产品生产的自动化管理，并预留了向上一级网络发展的接口设备，远程站则通过IM153接口模块与本地站连接。其系统配置如图2所示。 图2 控制系统硬件配置 3.2 控制软件 本装置的软件设计，既考虑技术的先进性、操作的简便性和直观性，又特别注意运行的可靠性和稳定性，并针对变压吸附的特点，开发了一系列特殊的控制软件。 3.2.1 软件的基本控制功能 1）顺序控制。为保证生产的连续性，采用5-1-3循环操作，按照工艺给定的条件，操作工艺管道上的各程控阀门的开关，进行顺序控制和模拟调节。2）程控调节。是由开关信号和模拟信号组合运行的复杂控制，该功能用于保证各关键压力变换和理想曲线基本吻合。3）参数优化控制。依据原料气量的变化和产品纯度的变化自动地计算出最佳吸附循环时间。4）联锁控制。包括工艺参数联动调节，工艺参数安全联锁，产品质量联锁控制等。5）动力设备控制。包括压缩机、液压泵站等各种动力设备的流程显示、关键参数的监控、动力设备故障的报警和动作联锁。6）管理功能。可以进行完善直观的工艺流程监控与动态显示，可将装置运行参数和数据上传至管理计算机，用于工厂管理、调度和数字统计；也可以通过Internet为用户提供远程技术支持。7）故障诊断功能。可根据压力、阀位检测、产品纯度、温度、流量等参数自动对工艺或设备故障进行自动诊断、报警和联锁处理。同时对控制系统自身的主要故障，如CPU故障、通讯故障也可进行自诊断，并提出故障警告和安全处理。 3.2.2 软件的特殊控制功能 1）自适应随动调节软件。装置在运行过程中，除在吸附状态外，各塔都处在某种降压和升压过程中，而这个过程要求气流均衡、稳定。本装置以压力为控制量，通过控制吸附压力均匀上升和下降，达到稳定控制气体量的目的。2）煤压机入口抽负及出口超压控制。在煤压机出口管道和入口管道之间设置一条回流管，回流管上设调节阀，将入口焦炉煤气压力和出口焦炉煤气压力分别与设定值相比较，使用调节阀进行调节，以保证煤压机的安全。3）解吸气压力分程调节及超压放散。变温吸附再生压力要求在0.03～0.05 MPa之间，解吸气产生于逆向放压和冲洗两个步骤，逆向放压时压力从0.47 MPa降至0.05 MPa，排出压力较高的气体进入解吸气缓冲罐，然后与剩余的压力较低的解吸气以及冲洗步骤中的解吸气通过压力分程调节送往压缩工序作再生用气。为保证压缩工序用再生气的压力稳定，采用解吸气压力超高放散调节，当缓冲罐中压力超过设定值，便打开调节阀，将高压解吸气放散至燃气管网（见图3）。4）故障塔切除与恢复控制软件。由于变压吸附的工作原理是各吸附塔循环进行吸附作用，一旦某塔出现故障（阀门、控制线路、电磁阀、杂质超标等问题），可立即根据设定的程序自动将该塔从流程中切除，并将装置减量，其余塔经适当组合以新流程继续供气，保证生产不间断。待故障处理完毕后，再将该塔加入流程中，并加大气量，恢复原处理量。这是提高变压吸附装置可靠性的一个关键，也是变压吸附控制技术的一个核心。该功能的实现包括2个方面的要求（1）阀门故障检测系统，阀门的可靠性直接影响到自动切换的成功率。（2）程序根据故障检测信号及工艺要求实现瞬时任意切换。此外，在流程切换过程中除保证压力变化在允许的范围之内以外，还要符合工艺连续运行的要求。简化后的流程框图见图4。 图3 解吸气调节系统 图4 自动切塔工艺流程 3.3 控制系统特点 1）程序中的自诊断系统可根据装置进料量的大小、原料气组成与产品气纯度分析的变化，适时地自动调整系统运行参数，优化变压吸附工序的运行状况，而无须操作工调整。该功能可保证装置在处理量变化以及原料气组成、压力和温度变化时，均能自动保证产品的质量并获得最高的氢回收率，从而提高了装置在运行过程中的经济性。2）先进的变压吸附程序在某个吸附塔出现故障时，可自动将故障塔切除，转入四塔和三塔操作，并且不影响处理能力，只是收率有少量下降。这一功能提高了装置运行的可靠性。3）本装置所有预处理塔、吸附塔和干燥塔均设计隔断阀，可对单塔进行切除隔离检修。这样就又进一步提高了装置的可靠性和在线处理故障的灵活性。4）作为关键设备的PSA程控阀，选用高性能的三偏心蝶阀。该阀具有体积小、重量轻、动作快（小于1 s）、密封性能好（ANSI 六级）、寿命长（无泄漏开关50万次以上）、阀位显示可靠的优点，保证了装置长期运行的可靠性。 4 结 语 焦炉煤气制氢控制系统具有稳定可靠、精度高、操作方便、故障率低、维护量小等特点，整个系统自动化水平较高。计算机过程控制技术与新工艺、新技术的结合与运用，提高了生产效率。 2007.11.26